低碳节能抽油机研究

魏航信 周莹

摘  要：为了解决常规游梁式抽油机能耗大的问题，该文设计了一种新型的绿色低碳节能抽油机。采用太阳能及风能为抽油机电动机提供电能，彻底取消了市电供电。主要论述了抽油机的总体结构，包括控制系统和游梁平衡系统。控制系统主要由太阳能电池板、风力发电机、适配器、稳压部分、逆变器等组成。最后论述了新型抽油机的主要设计步骤。通过该文的研究，希望可以为油田采油的节能降耗及绿色生产提供有力的技术支持。

关键词：抽油机;节能;太阳能;风能

中图分类号：TE938       文献标志码：A

0 前言

国内外抽油机的种类有200多种，包括游梁式抽油机、凸轮抽油机、链条抽油机、皮带抽油机、塔架式抽油机、用于丛式井的曲柄滑块一机多抽抽油机等。但由于大多数抽油机在现场的可靠性、使用寿命等方面存在问题，目前油田90%仍是游梁式抽油机。但游梁式抽油机能耗大，其耗电量占总采油设备耗电量的70%以上。因此如何减小游梁式抽油机的能耗，是目前研究的热点问题。

随着新能源技术的发展，为抽油机节能降耗提供了一个新思路。采用太阳能、风能发电为抽油机电动机提供电力，可以彻底解决抽油机消耗电能的问题。抽油机地处野外，大多数情况下有充足的光照或者强度足够的风力，可以采用这些清洁能源为抽油机供电。因此设计新型的绿色低碳节能抽油机，具有重要的理论意义与实用价值。

1 抽油机结构

新型绿色低碳节能抽油机总体结构如图1所示。其机体主要的机械结构和常规游梁式抽油机类似。首先主电动机转动，经过带传动、减速器传动，将电动机的单向转动传递到减速器输出轴单向转动。减速器输出轴带动曲柄单向转动，由曲柄、连杆、游梁和机架组成四杆机构，在曲柄的带动下，实现游梁的往复上下摆动，并带动驴头往复上下摆动，驴头通过钢丝绳与悬点相连，因此悬点亦上下往复运动。在图1中可以看到有2个平衡块，曲柄平衡块和游梁平衡块，因此其属于复合平衡型抽油机，其优点是平衡效果好，抽油机节能效果好。

这种绿色低碳节能抽油机与常规抽油机的主要区别在于抽油机主电机的供电系统不是采用常规的380 V市电供电，而是采用太阳能电池板和风力发电机供电，因此可以实现不消耗市电电能，实现抽油机的节能降耗。另外，这种新型抽油机的游梁平衡块采用智能移动方式，通过游梁平衡电动机带动，可以根据油井工况，实时调节自身位置，从而可实现抽油机的最佳平衡状态。

由于抽油机主电动机所需要的供电电压为380 V交流电压，而太阳能电池板或者风力发电机的电压为不稳定的直流电压，因此需要采用合理的控制系统，将不稳定的电压转变为稳定的交流电压，为抽油机主电动机供电，如1.1节所述。

1.1 抽油机控制系统

抽油机控制系统的作用主要有3个：一是稳定电压，由于太阳光照强弱不同或者风力强度不同，太阳能电池板及风力发电机发出的电压不稳定，因此需要稳压。二是升压作用，将稳定的直流电压转变成抽油机电动机所需要的380 V交流电压，以保证电动机正常运转。三是储能作用，当太阳光比较强或者风力较大时，将多余的电能存储起来，在夜间没有阳光或者无风时，可将存储的电能利用起来，为抽油机电动机供电，实现抽油机的不间断作业，提高抽油机运行的可靠性。因此抽油机控制系统主要包括稳压系统、储能系统及升压系统。

稳压系统主要包括太阳能电池板适配器（或者叫控制器）和风力发电机适配器，其基本原理与稳压电源类似，当光照强度较弱时，适配器输入电压减小，其减压比减小;当光照强度增大时，适配器输入电压升高，其减压比增大，因此可以维持输出电压稳定。风力发电机适配器的基本原理与上述过程类似，其输出电压可以稳定在一定范围内。

储能系统主要由蓄电池组件及充电器组成。由稳压系统输出稳定的电压，为充电器供电，充电器将其电流、电压转换为蓄电池所需要的电平信号，为蓄电池充电。

升压系统主要由逆变器组成，其基本原理是将稳压系统输入的稳定的直流电压转变为交流电压，然后进行电压转换，输出380V交流电压信号，为抽油机主电动机供电。

1.2 抽油机自动平衡控制系统

为了充分利用新型绿色低碳抽油机的优势，设计了抽油机自动平衡控制系统。主要由游梁平衡块、滚珠丝杠、步进电机组成。如图1所示。当抽油机运转时，抽油机控制系统稳定的直流电压为步进电机供电，步进电机转动，通过滚珠丝杠系统带动游梁平衡块左右移动，当抽油机悬点载荷过大时，通过控制器发出指令，使步进电机转动，游梁平衡块沿着游梁向外运动，平衡力臂增加，抵消部分悬点载荷，因此获得良好的平衡效果，抽油机主電机所需的驱动电流减小，实现抽油机的节能降耗。

由于抽油机控制器采用神经网络等智能控制算法，因此可以良好地控制抽油机主电动机、游梁平衡电动机的运转，使二者协调工作，提高抽油机的平衡效果，实现抽油机的彻底节能，实现绿色环保节能生产。

2 抽油机的设计步骤

绿色低碳节能抽油机是在常规游梁式抽油机的基础上发展起来的新型抽油机，其机械结构原理与游梁式抽油机类似，因此抽油机机架、带传动系统、减速器、曲柄、曲柄销、曲柄平衡重、连杆、游梁、驴头等主要部件的设计方法与游梁式抽油机设计方法相同。

抽油机控制系统需要对太阳能电池板功率、风力发电机功率、控制系统各个元器件的型号等方面进行选择。首先，根据抽油机悬点载荷的大小，计算抽油机主电动机所需的功率及额定扭矩，然后根据主电动机的功率，选择太阳能电池板以及风力发电机的功率。考虑到能量损失以及抽油机游梁平衡电机的供电需求，需适当增大太阳能电池板及风力发电机的额定功率。对于控制系统其他元器件的选型，太阳能电池板适配器及风力发电机适配器，需要根据太阳能电池板及风力发电机的工作特性进行选择。蓄电池的容量大小需要根据主电动机的功率进行选择。蓄电池充电器的选型需要根据蓄电池容量及电压进行选择。控制器一般为单片机或者PLC控制器，其现场使用效果较好，可靠性高，结实耐用。

设计游梁平衡系统时，主要内容包括确定步进电机型号、滚珠丝杠几何尺寸及其型号、游梁平衡块重量等参数。对于游梁平衡块重量的大小，可根据相应规格的复合平衡游梁式抽油机进行选择，国家颁布的抽油机标准中，列出了不同型号游梁式抽油机所需的平衡块参数。平衡块的重量确定后，再确定滚珠丝杠的公称直径及长度，并计算滚珠丝杠刚度、所需的驱动扭矩等参数。滚珠丝杠刚度的校核主要依据平衡块的重量。滚珠丝杠的长度主要由平衡块需要移动的行程确定。最后，根据游梁平衡块的重量、滚珠丝杠的参数可计算出游梁平衡步进电机所需要的输出力矩及转速大小，然后以此数据为基础，选择相应的步进电机大小及型号。

3 结语

由于目前原油价格下跌，需要进一步降低采油成本，有必要对耗电量很高的抽油机采取节能降耗措施。因此该文设计了新型的绿色低碳节能抽油机，主要通过采用太阳能和风能为抽油机供电，可以实现真正意义的节能。文中首先论述了抽油机的总体结构、控制系统结构及游梁平衡系统结构，然后论述了抽油机的设计步骤。希望通过该文的研究，可以为油田生产提供有力支持。

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